После конвертера и ДСП

Опубликовано автор Admin — Нет комментариев ↓

О современной концепции применения технологии обработки стали в установках «ковш-печь»


После конвертера и ДСП
О современной концепции применения технологии обработки стали в установках «ковш-печь»
Алексей Смирнов, Владимир Сафонов,Донецкий национальный технический университет
 
В последние два десятилетия ос­новной тенденцией в деле повы­шения требований к металлопро­дукции выступает комплексное улучшение параметров качества стали с упором на ее химический состав. На современных метпредприятиях данная задача решается в основном за счет внед­рения прогрессивных процессов довод­ки стали в ковше.
 
Это в 1960-1970гг. технология эксплуа­тации плавильных агрегатов (конвертер, ДСП или мартеновская печь) предполага­ла выпуск из них практически готовой к разливке стали. Тогда на уровне техпро­цесса в ковш выносились, главным обра­зом, операции раскисления и долегирования металла. Современные же технологи­ческие построения, напротив, предполага­ют выпуск в ковш из конвертера или ДСП железоуглеродистого полупродукта. А все дальнейшие шаги в части доводки стали по химическому составу и температуре выполняются исключительно в ковше.
 
Общепризнанным методом здесь яв­ляется комплексная обработка распла­ва в сталеразливочном ковше с приме­нением мощного высокотемпературно­го источника локального нагрева, который обеспечивает непрерывную ком­пенсацию тепловых потерь. Такая схема, как показывает практика, делает процесс выплавки и разливки стали более эконо­мичным, а также обеспечивает наиболее полное совмещение процесса выплавки и разливки стали.
 
А собственно агрегаты, обспечивающие нагрев и перемешивание стали в ковше, ее рафинирование и корректиров­ку химического состава, в металлургичес­кой практике получили название «ковш-печь» (от английского ladle-furnace).
 
Современный «ковш-печь»:общие подходыи основные требования
Прогрессивный подход к производству стали на этапе «жидкий полупродукт -непрерывнолитая заготовка» обусловлен тремя основными моментами (их мож­но охарактеризовать в т.ч. и как страте­гические для успешной работы метпре-дприятия), а именно:
• достижением стабильного качества жидкой стали, уровень которого оп­ределяется как технологическими, так и потребительскими свойствами;
• обеспечением технологичности рабо­ты МНЛЗ, включая скорость разливки, серийность, а также качество поверх­ности и внутренней структуры непре-рывнолитого слитка;
• оптимизацией технологии дальней­шей термомеханической обработки заготовки для получения заданных свойств изделий при минимальных материальных, энергетических и вре­менных затратах для технологической цепочки в целом.
 
В большинстве случаев необходимый (высокий) уровень потребительских свойств металлопродукции при исполь­зовании установок «ковш-печь» обес­печивается, в первую очередь, благода­ря высокой степени рафинирования ме­талла. Последнее прямо ведет к дости­жению оптимального химического со­става готовой стали, что предполагает особо низкое содержание вредных при­месей, как-то:
• кислорода (например, менее 15 ррm для легированных марок стали с особо низким содержанием кислорода);
• серы (как правило, ниже 0,008-0,010%, а для некоторых марок трубной стали -ниже 0,003%);
• газов: водорода (для флокеночувстви-тельных – ниже 1,5-1,8 ррm) и азота (обычно ниже 50-60 ррm для элект­ростали и 20 ррm для конвертерной стали);
• углерода (ниже 0,003% для стали с уль­транизким содержанием углерода). Комплексная обработка стали в агрега­те «ковш-печь» предполагает обязатель­ное предотвращение попадания в ковш печного шлака, содержащего FeO и MnO. В современных конвертерах и дуговых сталеплавильных печах операция отсеч­ки шлака выполняется непосредственно на выпуске стали и обеспечивает отсечку 85-90% печного шлака (Альтернативным вариантом является применение машины для скачивания шлака из ковша. Данный подход получил большое распростране­ние в 70-80-е годы прошлого века. Вместе с тем операция удаления шлака из ковша имеет достаточно очевидные недостатки в виде удлинения цикла пребывания ста­ли в ковше, а также потери металла вмес­те со скачиваемым шлаком).
 
В целом же всю совокупность основных операций, которые могут выполняться на современных установках «ковш-печь» в ходе обработки стали, можно свести к та­кому перечню:
• гомогенизация металла по температу­ре и химическому составу;
• корректировка химического состава стали путем присадки соответствую­щих лигатур;
• удаление вредных примесей (сера, водо­род, азот, а иногда, углерод и проч.);
• доведение температуры метала до регла­ментируемого технологией значения;
• рафинирование стали по неметалли­ческим включениям;
• получение стали с постоянными свойс­твами от плавки к плавке;
• управление составом шлака и т.д.
 
С учетом указанных требований (или возможностей) современный «ковш-печь» располагает устоявшейся уже тех­нологической архитектурой. В конструк­цию этих агрегатов включены такие обя­зательные элементы, как системы для на­грева металла электрическими дугами, а также для подачи ферросплавов и мате­риалов для рафинирования стали в ков­ше. Кроме того, современные установки «ковш-печь» оборудованы устройством для подачи порошковой проволоки, пре­дусматривают средства для перемешива­ния металла инертными газами и др.
 
Наибольшее влияние на рабочие па­раметры агрегатов «ковш-печь» оказы­вает, прежде всего, вместимость сталеразливочного ковша. Наряду с этим мно­гоплановое воздействие на эффективность работы установки дугового нагре­ва оказывает величина мощности печ­ного трансформатора. Последняя, в час­тности, непосредственно влияет на ско­рость нагрева стали в ковше, продолжи­тельность цикла обработки, условия ра­боты футеровки ковша, расход огнеупо­ров и проч. Поэтому создание оптималь­ных энергетических условий нагрева яв­ляется необходимой и решающей пред­посылкой эффективного проведения тех­нологического процесса.
 
Что касается различий между конкрет­ными агрегатами, то выполненная авто­рами сравнительная оценка эксплуата­ционных характеристики 44-х установок «ковш-печь», выпущенных рядом ведущих производителей, позволяет сделать следу­ющий обобщающий вывод. Основная со­вокупность рабочих и эксплуатационных параметров этих установок достаточно близка между собой. А некоторые колеба­ния в значениях рабочих параметров аг­регатов находятся, на наш взгляд, в пря­мой взаимосвязи только с работой кон­кретного сталеплавильного цеха и объ­емом сталеразливочного ковша.
 
Особые замечанияк эксплуатации агрегатов«ковш-печь»
Практика последних десятилетий по­казывает, что вопрос рационального пе­ремешивания металла в ковше при продувке аргоном является особенно актуаль­ным при работе установок «ковш-печь».
 
Это объясняется тем фактом, что в ков­шах данных агрегатов предусматривает­ся, как правило, один-два (иногда три) продувочных узла, расположение кото­рых регламентируется определенными технологическими соображениями. Во-первых, продувочные узлы необходимо располагать таким образом, чтобы вду­ваемый в металл аргон не попадал в зону работы электрической дуги. Во-вторых, один из продувочных узлов должен рас­полагаться в зоне подачи ферросплавов, что позволяет обеспечить высокую сте­пень их усвоения. В-третьих, продувоч­ный узел не может располагаться в зоне падения струи металла во время напол­нения ковша. В-четвертых, продувочный узел не может располагаться вблизи стен­ки ковша, поскольку в этом случае будет происходить повышенный износ огне­упоров в области распространения вос­ходящего потока. В-пятых, в зависимос­ти от конкретной технологической опе­рации, выполняемой в агрегате «ковш-печь», интенсивность продувки металла аргоном необходимо варьировать в зна­чительных пределах.
 
На практике для вдувания инертного газа в металл используются либо специ­альные блоки, устанавливаемые в дни­ще ковша, либо погружаемые в расплав фурмы. В соответствии с основными тех­нологическими задачами продувку стали аргоном ведут на разных этапах пре­бывания стали в ковше и с различной ин­тенсивностью, что предъявляет к проду­вочному узлу требование универсаль­ности.
 
В общем случае при продувке металла инертными газами одновременно проте­кают многие процессы, которые оказы­вают как положительное, так и отрица­тельное влияние на качество и себесто­имость стали. Среди таковых процессов выделим следующие:
• энергичное перемешивание жидкой ванны металла в ковше путем форми­рования восходящего газометалличес­кого циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисходящих конвек­тивных потоков стали по периферии;
• усреднение металла в ковше по темпе­ратуре, а также некоторая корректи­ровка температуры перед разливкой за счет охлаждающего действия инжек­тируемого газа;
• усреднение металла в ковше по хими­ческому составу;
• повышение степени чистоты стали по неметаллическим включениям за счет эффекта флотации во всплывающих пузырьках инжектируемого газа;
• ускорение процессов расплавления и усвоения вводимых в жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, мо­дификаторов и лигатур;
• ускорение процесса дегазации стали за счет транспортировки к поверхности порций металла, расположенных в нижней части ковша;
• перемешивание металла и покровного шлака в зоне выхода газа из металла в шлак (интенсивность этого процесса зависит от интенсивности вдувания га­за и способа его инжектирования);
• вторичное окисление стали в зоне вы­хода газа на поверхность в случае чрез­мерно интенсивной продувки;
• ускорение износа футеровки сталераз-ливочного ковша, что во многом пре­допределяет повышение требований к качеству и химическому составу ог­неупоров.
 
В отношении последнего особо ука­жем – широкие возможности современ­ных способов внепечной обработки были достигнуты в немалой степени и за счет инновационных процессов в создании ог­неупорных и вспомогательных материа­лов. В частности, благодаря серьезному прогрессу в области создания огнеупоров повышенной стойкости (футеровка сталеразливочного ковша, продувочные пробки и т.п.) удалось снизить удельные затраты на огнеупоры для внепечной обработки с $10-15 до $1,2-1,5 на тонну стали.
 
Также нельзя проигнорировать и то об­стоятельство, что за последние два десяти­летия практически обязательным функци­ональным элементом установок «ковш-печь» стала операция введения в расплав порошковой проволоки в стальной оболоч­ке с помощью специальных трайб-аппаратов (диаметр применяемой проволоки – от 9 мм до 16 мм, что зависит от гибкости ме­таллической оболочки). Этот прием обес­печивает точное введение в расплав тре­буемых легирующих элементов.
 
В целом же порошковые проволоки це­лесообразно использовать для ввода та­ких добавок, которые обладают:
• меньшей плотностью, чем расплав (мо­гут всплывать на поверхность при дру­гом способе подачи в расплав);
• ограниченной растворимостью;
• высоким показателем давления пара;
• высоким сродством к кислороду и др. (например, требуют больших затрат, являются токсичными, добавляются в небольших количествах и т.п.).
 
Еще не так давно в черной металлур­гии Украины бытовало устойчивое мне­ние, что использование агрегатов «ковш-печь» экономически оправдано и прием­лемо только лишь на производствах по выплавке особых (специальных) марок стали, которые обладают повышенной добавленной стоимостью. А при выпус­ке рядовых марок стали, что отличало де­ятельность большинства меткомбинатов и заводов Украины, считалось вполне возможным обходиться и без применения новых технологий и оборудования в сфе­ре внепечной обработки стали.
Согласимся с первым – к металлопро­дукции ответственного назначения всег­да предъявляются высокие требования по макро- и микронеоднородности внут­ренней структуры готовых изделий и за­готовок. Это и обусловило пионерское внедрение агрегатов «ковш-печь» на за­водах/участках, специализирующихся на выпуске сложных марок стали и про­дуктов из нее.
 
Однако последние мировые тенденции наглядно демонстрируют – задача глубо­кого рафинирования и прецизионного раскисления стали сегодня не менее акту­альна и для производителей ее массового сортамента, рядовых марок. Связано это с необходимостью обеспечения высоко­го уровня технологических свойств рас­плава, позволяющих проводить разлив­ку стали на современных машинах не­прерывного литья заготовок. В послед­ние годы в Украине как раз активно реа­лизуют проекты (либо заявляют об этом) внедрения способа непрерывной разлив­ки стали со строительством МНЛЗ и вы­водом из эксплуатации слябингов/блю­мингов. И без новых установок «ковш-печь» здесь явно не обойтись.
 
Сравнение основных параметров агрегатов «ковш-печь» различных компаний-производителей оборудования
 
Параметр
VAI-Fuchs
[ДМЗ]
Danieli
[ИСТИЛ]
нкмз
[ЕМЗ]
НКМЗ [ВМЗ]
SIEMENS-VAI
[АМК]
ММЗ
Вместимость ковша, т
150
120
145
120
300
100
Мощность трансформатора, МВА
18
18+20%
25
18
50
18
Сила тока, кА
30
40
40
40
58
35
Диаметр электрода, мм
406
406
450
400
500
400
Диаметр распада электродов, мм
650
700
850
700
900
700
Скорость нагрева, °С/мин
4
4,6
4,5
5,7
4,5
4
Расход электродов, кг/т
0,40
0,45
0,39
0,9 (Россия)
0,3
0,3
Расход электроэнергии, кВтчас/т
49
45
36
 
20-25 (двухванная печь),
3-5 (конвертер)
36
Продолжительность обработки, мин
53
53
56
70-80 (общая)
60 (двухванная печь),
20 (конвертер)
45-50 (общая)
Тип плавильного агрегата
Мартеновская
печь
ДСП
конвертер
мартеновская печь
конвертер,
двухванная печь
ДСП
 
 
 
 
 
ИСТОЧНИК
Авторское
исследование
 
«Ковш-печь» в исторических аспектах
Идея комплексной внепечной обработки расплава в сталеразливочном ковше с применением электроду­гового нагрева в сочетании с электромагнитным пе­ремешиванием была впервые реализована в 1964г. шведскими компаниями ASEA и SKF (в дальнейшем технология получила название от этих фирм) при раз­работке процесса рафинирования стали в вакууме. Примерно в то же время в США на металлургическом заводе Finkl&Sons также впервые был опробован спо­соб совмещенного с дуговым подогревом перемеши­вания металла, при котором вдували аргон при по­ниженном давлении через пористую пробку. Сейчас этот процесс называется FINKL-VAD.
Сразу после освоения первых агрегатов «ковш-печь» выявились их очевидные преимущества. Так, на заводе компании Кшрр в Гайсвайде (Германия) в те годы выплавляли широкий сортамент легирован­ной стали в 100-тонной электропечи по традицион­ной тогда технологии с соответствующими затрата­ми и уровнем производительности. После ввода в эксплуатацию агрегата «ковш-печь» эксплуатация той же электропечи принесла дополнительные пози­тивы. Производительность самой ДСП возросла на 9%, а удельный расход электроэнергии здесь сни­зился на 40 кВтч/т, что объясняется более высокой степенью усвоения энергии в ковше, чем на конеч­ной стадии электроплавки.
К 1981г. в мире работали 32 установки ASEA-SKF, которые обеспечивали производство стали высоко­го качества. Позже основные патенты на техничес­кие решения ASEA-SKF приобрела итальянская ком­пания Danieli. Одну из первых таких установок Danieli построила для завода утяжеленных бурильных и ве­дущих труб СМНПО им. Фрунзе (г. Сумы) в 1987г. А первый агрегат «ковш-печь» на территории СССР был построен в 1985г. (проект ВНИИМЕТМАШ – ЮУМЗ) на Молдавском металлургическом заводе.
В настоящее время в мире разработкой и изготов­лением агрегатов «ковш-печь» занимаются более двух десятков машиностроительных компаний. Наиболее крупные из них: немецко-австрийские фирмы SMS Demag и Siemens-VAI, итальянская компания Danieli, украинский НКМЗ и др. Именно эти компании (за ис­ключением Новокраматорского машзавода, который приступил к созданию агрегатов внепечной обработ­ки стали в последнее десятилетие) с 1980-х годов и занимаются совершенствованием агрегата в техно­логическом и конструкционном плане. И эти усилия принесли свои плоды – на практике доказана высокая конкурентоспособность агрегатов «ковш-печь» прак­тически для всего диапазона вместимости сталераз-ливочных ковшей: от 12-15 т до 350-360 т.
В настоящее время установками «ковш-печь» осна­щено около двух третей конвертерных и большинство электросталеплавильных цехов в мире. Это позволя­ет говорить, что, по меньшей мере, 70-75% всей вы­плавляемой в мире стали обрабатывается или может быть обработано на агрегатах «ковш-печь». Конечно, статистика постсоветской черной металлургии такие показатели продемонстрировать не может. Однако и в странах СНГ наблюдается относительный прогресс в освоении технологий внепечной обработки стали.
Так, в России в последние полтора десятиле­тия установки «ковш-печь» успешно пущены в экс­плуатацию в конвертерных цехах Магнитогорского, Череповецкого, Новолипецкого, Западно-Сибирского, Нижнетагильского, Челябинского меткомбинатов. Всего же в РФ насчитывается около 50 таких агре­гатов; на них обрабатывается почти половина россий­ской стали. Это прямо свидетельствует о признании российскими меткомпаниями безусловной эффектив­ности данной технологии и оборудования.
В Украине сегодня работает 15 установок «ковш-печь» на 11 метпредприятиях. На этих агрегатах об­рабатывается примерно треть всей украинской ста­ли, что следует считать недостаточным с точки зре­ния развития экспортного потенциала украинской металлопродукции. Впрочем, по разным оценкам, в ближайшие 3-5 лет данный показатель должен быть увеличен, по меньшей мере, в 2-2,5 раза.
 
Варианты конструкционного оформления крышки «ковша-печи»
В функциональном плане важнейшим элементом в конфигурации «ковша-печи» является конструкци­онное оформление крышки, которое с небольшими допущениями напоминает конструкцию крышки сов­ременной ДСП. Между тем в зависимости от спектра решаемых задач крышка «ковша-печи» может иметь следующие функциональные решения.
1. Крышка «ковша-печи» с фиксированным по­ложением (позиция, соответствующая положению в процессе обработки). При этом ковш перемещается под крышкой с помощью сталевоза (а). Для нормаль­ного функционирования «ковша-печи» применяются, как правило, два сталевоза (слева и справа от крыш­ки), которые поочередно выставляют ковш для обра­ботки под крышку. При этом «ковш-печь» работает практически независимо от транспортных кранов.
 
2. Крышка «ковша-печи» с возможностью ее по­ворота. В этом случае ковш устанавливается на ра­бочую позицию посредством крана, а крышка затем поворачивается в требуемую позицию. Такое постро­ение получило название двухпозиционных «ковшей-печей» (б) и широко применяется на практике в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальную производительность «ковшей-печей».
 
3. Крышка «ковша-печи», обеспечивающая гер­метичность рабочей камеры, что позволяет совмес­тить работу «ковша-печи» с процедурой вакуумиро-вания в одном агрегате. Существует два конструктив­ных решения для такого типа комбинированных агре­гатов. В первом случае крышка агрегата «ковш-печь» герметично стыкуется с верхним торцом сталеразли­вочного ковша с помощью специального погона.
«Ковш-печь» с фиксированной крышкой (а) и перемещающейся крышкой (б)
Перемещение сталеразливочного ковша от позиции нагрева металла к позиции вакуумирования осущест­вляется посредством сталевоза. Такое конструкцион­ное построение получило широкое распространение в 70-80-е годы прошлого столетия и производилось консорциумом ASEA-SKF. Более современным постро­ением является совмещение установки «ковш-печь» с установкой камерного вакуумирования типа VD/VOD.
В этом случае герметичность камеры для дегазации стали достигается путем стыковки крышки с торцом камеры, в которой устанавливается ковш. Сама же камера имеет возможность перемещения от позиции нагрева к позиции вакуумирования. При этом во вре­мя вакуумирования электроды для подогрева метал­ла поднимаются в верхнюю позицию, а отверстия пе­рекрываются специальной шиберной плитой.

Добавить комментарий